电子技术课程设计报告-秒表数码显示电路数字秒表电路设计.docVIP

电子技术电子技术 课程设计报告课程设计报告 班 级： xx 姓 名： xx 学 号： xx 指导教师： x 开课时间开课时间:x至至x学年第学年第x学期学期 目录目录 一、一、 课程设计课程设计的的目的目的 1 1 二、二、 课程设计的要求课程设计的要求 1 1 三、课程设计的内容三、课程设计的内容 1 1 3.1 秒表数码显示电路数字秒表电路设计 3.2 音频小信号前置放大电路设计 3.3 信号发生器设计 3.4 频率计设计 3.5 红外线控制自动水龙头 四、总结四、总结 2424 五、参考文五、参考文献献 2525 1 1 1、课程设计的目的课程设计的目的 1、熟悉电子技术的运用，掌握数字电子技术和模拟电子技术的实际运用 2、熟练掌握 Multisim 的操作，用来仿真模拟的电子线路并得到运行结果， 以待进一步改进 3、将所学到的知识与实际更好地结合，熟练的在实际中运用 2 2、课程设计的要求课程设计的要求 3.1 秒表数码显示电路数字秒表电路设计。 利用外部提供 1MHz 时钟，完成 059 小时 59 分 59 秒范围内的计时，通过按键 设置计时起点与终点，计时精度为 10ms。 3.2 音频小信号前置放大电路设计 设计音频小信号前置放大电路，并用合适软件模拟， 。具体要求如下： （1）放大倍数 Au1000； （2）通频带 20Hz20KHz； （3）放大电路的输入电阻 RI1M，输出电阻 RO600 （4）绘制频响扫描曲线。 说明：设计方案和器件根据题目要求自行选择，但要求在通用器件范围内。 测试条件：技术指标在输入正弦波信号峰峰值 Vpp=10mv 的条件进行测试 3.3 信号发生器设计 设计一个能够输出正弦波、三角波和矩形波的信号源电路，电路形式自行选择。 输出信号的频率可通过开关进行设定，具体要求如下：1 输出信号的频率范围为 100Hz2kHz，频率稳定度较高，2 步进为 100Hz。要求输出是正弦波信号，信号无明 显失真。3 三角波和矩形波占空比连续可调。4 利用软件示波器测量出其输出频率的上 限和下限及其输出电压的范围。 2 3.4 频率计设计 设计一个能够测量正弦波信号频率的电路。具体要求如下：（1）测频范围为 19999Hz，精度为 1Hz。 （2）用数码管显示测频结果。 （3）当信号频率超过规定的频 段时，设有超量程显示。测试条件：在输入信号峰值为 0.1V 的情况下测试。参考元器 件： 74HC160/161，74HC138，74HC00，74HC573，74HC393、TL082，CD4511，CD4060 晶振等。 3.5 红外线控制自动水龙头 设计电路及软件模拟。技术要求：1、用红外线检测，当有人手靠近（10cm） 水龙头时，自动出水；2、人手远离水龙头时停止出水；3、水龙头采用由电子阀门控 制的水龙头。 三、课程设计的内容三、课程设计的内容 3.13.1 秒表数码显示电路数字秒表电路设计。秒表数码显示电路数字秒表电路设计。 数字式秒表，必须有数字显示。按设计要求，须用数码管来做显示器。题目要求 最大记数值为 99 分 59.99 秒，那则需要六个数码管。要求计数分辨率为 0.01 秒，那么 我们需要相应频率的信号发生器。 分频电路有多种选择方案，可以使用专用的分频器，也可通过触发器进行分频， 还可以用计数器分频，本次设计中用 10 进制计数器 74HC160 对 1M Kz 进行分频，因为 是取 10 000 分之一，所以使用了 4 个计数器，尽管用 74HC160 较多，有点浪费，但其 3 在电路中的连接方式较为简单。 74HC160 是同步十进制加法计数器，它有异步清零、 同步置数等功能。 设计六进制加法计数器 ： 使用 74LS160 芯片实现六进制加法计数器： 74160 从 0000 状态开始计数，当输 入第 6 个 CP 脉冲（上升沿）时，输出 Q3 Q2 Q1 Q0 0110，此时=0 ，反馈给端 CR 一个清零信号，立即使 Q3 Q2 Q1 Q0 返回 0000 状态，接着 ,CR 端的清零信号也随之消失，74160 重新从 0000 状态开始新的计数周期。 反馈归 零逻辑为代码中为 1 的 Q 相与非。 设计 60 进制加法计数器 将两个 74ls160 串联，并在 0101 处得到清零信号 设计 100 进制加法计数 100 进制计数器 完整电路： 4 3.2 音频小信号前置放大电路设计。 1）采用分立式元件 前置放大级：以单端输入双端输出且带恒流源的的差动放大电路作为第一级，以 双端输入单端输出的差动放大电路作为第二级。 优点：双端输出的差动放大电路利用其电路的高度对称性以及局部交流负反馈可 以很好的将共模干扰信号屏蔽。之后利用单端输出的差动放大电路将双端浮地输出转 化为单端输出。 中间级：采用带射极旁路电容的共射放大电路。 优点：共射放大电路具有良好的优良的电压放大和电流放大作用。 输出级：采用共集组态的射极输出器电路。 优点：共集组态的射极输出器具有高输入电阻和低输出电阻，可以很好地降低对 前置级电路的负荷，并具有良好的带负载能力。 5 2）主体设计 关于音频小信号前置放大电路设计，现主要分为两大部分。 第一部分、高低通滤波电路 考虑到音频放大电路需要放大的频率范围为 20Hz-20kHz。因而决定在放大电路的 前级加上滤波电路，将频率高于 20kHz 以及低于 20Hz 的信号滤去。 滤波电路选用二阶压控电压源低通滤波电路和二阶压控电压源高通滤波电路。 第二部分、放大部分电路 采用两级 NE5532 放大电路。 3）电路设计 低通滤波电路部分电路图 理论计算： 根据相关知识：该低通滤波电路的上限截止频率的平方与 R1、R2、C1、C2 的乘积 成反比。代入数据算得上限截止频率为 12.5kHz。之所以调到这个值是因为在将电路组 合后能够在 20kHz 后将增益衰减到 1000 倍以下。 6 高通滤波电路部分： 理论计算：经过理论计算，该电路的下限截止频率约为 20Hz。 放大部分电路工作原理 输入信号由 C1 左端进入，经 C1 滤波后一部分经 1M 电阻接地，这样可以保证输入 电阻为 1M 。另一部分接入 NE5532 进行第一级放大，放大倍数由电阻 R3 和 R4 的倍数 进行控制，第二级放大同理是由电阻 R5 和 R6 的倍数进行控制，其中 R3=R4=10k ,R5=R6=1500k ，每一级都可以放大 16 倍，两级一共可以放大 256 倍左右，又因为滤 波电路每级放大两倍，总共放大倍数达到 1024 倍，满足放大倍数达到 1000 倍的要求， 两级放大之间的电容 C2 起到滤波作用，最后一级的输出经滤波电容 C3 后接 600 的电 阻最后接地。这样输出电阻可以达到 600 。通频带由滤波电路控制在 20Hz-20kHz 之间， 可以满足条件。 7 完整电路 完整电路 10Hz 运行结果 8 完整电路 20Hz 运行结果 完整电路 20kHz 运行结果 9 完整电路 30kHz 运行结果 3.3 信号发生器设计 方波 正弦波 三角波 图 1 方波、正弦波、三角波、信号器原理图 555 多谐振 荡器 积分电路 低通滤波器 10 1.设计思路原理： 首先由 555 定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三 角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦 波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。 2.各组成部分的工作原理： 方波发生电路的工作原理 如下图 方波发生电路 利用 555 与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。 用 555 定时器组成的多谐振荡器如图 2 所示。接通电源后，电容 C2 被充电，当电容 C2 上端电压 Vc 升到 2Vcc/3 时使 555 第 3 脚 V0 为低电平，同时 555 内放电三极管 T 导通，此时电容 C2 通过 R2、R3 放电，Vc 下降。当 Vc 下降到 Vcc/3 时，V0 翻转为 高电平。电容器 C2 放电所需的时间为 ： t= ( R2 +R3) C2ln2 当放电结束时，T 截止，Vcc 将通过 R1、R2、R3 向电容器 C2 充电，Vc 由 Vcc/3 上升 到 2Vcc/3 所需的时间为 ： tH= (R1+R2+ R3) C2ln2=0.7( R1+R2+ R3) C2 当 Vc 上升到 2Vcc/3 时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出 端就得到一个周期性的矩形波。其震荡频率为 ： f=1/（tL+tH）=1.43/(R1+2R2+2R3) C2 11 3.方波、三角波 积分电路产生三角波 RC 积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。在自动控制系统中，常用 积分电路作为调节环节。此外，RC 积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产 生或变换。 由 555 定时器组成的多谐振荡器输出的方波经 C4 耦合输出，如图 3 所示为 RC 积 分 电路，再经 R 与 C 积分，构成接近三角波。其基本原理是电容的充放电原理。 4.三角波正弦波转换电路的工作原理 图 4 三角波产生正弦波原理图 PS:此采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。 12 图中所需的元件数值大小由计算得出。 5.整体设计电路构思 整体函数发生器的设计电路如下： 图 5 设计总电路图 总电路图的原理：555 定时器接成多谐振荡器工作形式，CX 为定时电容，C2 的充电 回路是 R1R3R2C2；CX 的放电回路是 CXR2R3IC 的 7 脚(放电管)。由于 R2+R3R1，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由 IC 的 3 脚输出的是近似 对称方波。按图所示元件参数，其频率为 500Hz 左右，调节电位器 RP 可改变振荡器 的频率。方波信号经 R4、C4 积分网络后，输出三角波。三角波再经 R5、C5、R6、C6 低通滤波电路，输出近似的正弦波。C7 是电源滤波电容。发光二极管 LED1 用作电源 指示灯。 6.实际操作过程 为达成要求中的步进，故将 CX 设计成 20 个电容的串联，以达到步进的目的，实际电 路图如下： 13 输出结果截图： 7.步进设计 14 设计电路图： 采用电容串联的形式达到步进的结果 起始 100Hz 步进 100Hz. 步进至 2000Hz 3.4 频率计设计 方案论证与比较： 利用石英振荡器发生信号比较稳定，但在仿真中难以实现。故选用 555 定时器 555 定时器简介：555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就 可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常 15 作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时 器的内部电路框图如右图所示。 它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压 VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发 器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的 反相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为 VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于 VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于 VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为低电平。 它的各个引脚功能如下： 1 脚：外接电源负端 VSS 或接地，一般情况下接地。 2 脚：低触发端 TR。 3 脚：输出端 Vo 4 脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 TR、TH 处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5 脚：VC 为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压， 当该端不用时，应将该端串入一只 0.01F 电容接地，以防引入干扰。 6 脚：高触发端 TH。 7 脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。 8 脚：外接电源 VCC，双极型时基电路 VCC 的范围是 4.5 16V，CMOS 型时基 电路 VCC 的范围为 3 18V。一般用 5V。 在 1 脚接地，5 脚未外接电压，两个比较器 A1、A2 基准电压分别为的情况下。 表 1.21 555 定时器的功能表 清零端高触发端 TH 低触发端 TRQ放电管 T功能 0xx0导通清零 101x保持保持 1101截止置 1 1001截止置 1 1110导通清零 多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在 电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态 自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。 接通电源后，输出假定是高电平，则 T 截止，电容 C 充电。充电回路是 VCC R1R2C地，按指数规律上升，当上升到 2Vcc/3 时（TH、端电平大于 Vc） ，输出 翻转为低电平。Vo 是低电平，T 导通，C 放电，放电回路为 CR2T地，按指数 规律下降，当下降到 Vcc/3 时（TH、端电平小于 Vc） ，输出翻转为高电平，放电管 T 截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得 输出高电平时间 T=(R1+R2)Cln2 输出低电平时间 T=R2Cln2 振荡周期 T=(R1+2R2)Cln2 1 1算法设计算法设计 频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。第一个图的方波频率为 16Hz,第二个图的 16 方波频率为 1 Hz，故而将 A 段设为闸门开的时段，A 段用 1 秒时间记录待测的输入脉 冲数目，测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为 1s 的闸门信号。改 闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当 1s 闸门脉冲到来 时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入 信号的周期数） ，当 1s 闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为 1s 内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直 接相关，因此，为保证在 1s 内被测信号的周期量误差在 10 量级，则要求闸门信号的 精度为 10 量级。 2 2时基电路时基电路 如图，时基电路是由 555 定时器构成的多谐振荡器 振荡周期 T=(R34+2R35)C4ln2=0.0621337s 频率 f16Hz 3 3分频电路分频电路 由 5 个 D 触发器级联构成分频电路 17 由于时基电路输出方波信号为 16Hz，经过五次分频，f=0.5Hz 2 5 16 4放大电路放大电路 在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰 减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信 号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放 大的增益，时被测信号得以放大。 函数信号发生器是信号源，理想运算放大器是放大电路的主体，信号通过运放被 放大，输入后面的整形电路。 放大倍数=（24500+500）/500=50 倍 5 5整形电路整形电路 用斯密特触发器作整形电路，将输入波形整形成为方波输出。由于输入的信号可是正 弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个 整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。 18 6 6闸门电路闸门电路 通过 74LS00 来将输入待测信号与 0.5HZ 的时基信号相与，实现一秒的计数，输入 后面的计数电路的脉冲输入端。 在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候 数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。 7 7计数电路计数电路 该电路的计数电路是用十进制计数器 74HC160D-4V 级联而成，总共用了四个，可 实现 0 到 9999 的计数，该计数电路设计采用低级位的进位端做为高位的计数使能，四 个计数器输入相同的脉冲。 160 译码器 A、B、C、D 端接地。ENT 接受上一级的进位信号，ENP 是使能端，高电 平有效，使译码器正常工作，LOAD 是预置数据输入端，接 VCC。CLR 是复位端，由 于软件原因，经一双向开关，一端接地，一端接 VCC，起手动置零作用。CLK 是锁存 端，接受闸门电路的信号。QA、QB、QC、QD 分别接 4511BD 的 DA、DB、DC、DD 传递信号。RCO 产生进位信号。 8显示线路显示线路 该电路的显示采用共阴七段数码管显示，每个端口串连一个 220 欧姆的电阻，起 限流作用。数码管上端接地，使之能正常显示数字。 总电路如下: 19 运行结果: 3.5 红外线控制自动水龙头 电路主要芯片介绍 由 LM555 构成的多谐振荡器电路简介 1.多谐振荡器概述：多谐振荡器是一种脉冲信号发生器，它具有两个暂稳态，工 作时无需外加触发信号，就能在这两个暂稳态之间连续,自动的切换，产生一定频率和 一定脉宽的矩形脉冲信号。因所产生的矩形波中含有丰富的谐波分量，故名多谐振荡 器。 2.外引线接图: 20 3.工作原理：设接通电源前，电容电压 C1=0V，电源接通后，由于 C1 不能突变， TR 端的电压小于 V/3，S=1,R=0，所以输出电压为高电平，开关管 V 截止，电源 V 通过 电阻 R1 和 R2 向电容 C1 充电，使得 U 按指数规律上升，知道 U 达到 2V/3 时截止。当 U 小于 V/3 时，U0 又翻转为高电平，开关管 V 截止，电容又被充电，U 再次按指数规律 上升。 由 LM555 构成的单稳态触发器电路简介 1.单稳态触发器概述：单稳态触发器时一种常用的脉冲整形和变换电路。它只有一 个稳定状态，另外有一个暂稳态。在外加触发脉冲的作用下，它从稳态进入暂稳态， 经过一段时间 Tw 后，电路又自动返回稳定状态，其中暂稳态的稳定时间仅取决于电 路本身的定时元器件参数。 2.外引线连接图： 主要单元电路介绍： 红外线发射电路： 该电路的核心器件是红外线发光二极管 SE303。红外线发光二极管由 GaAs 的 PN 结 构成，其发光波段处于可见光波段之外，因此不能在显示中使用，一般仅作为光信号 21 传输之用。本电路的感应装置一般要求不可见，因此只能采用红外线发光二极管作为 感应装置。 红外线发射电路如图所示： 红外线发光二极管正向电流不能超出其最大额定值，而作为感应装置则要求其具 有较大的光输出。一般利用其响应速度快的特性，通过脉冲信号驱动来增大光输出。 因此电路前端需要一个脉冲信号电路，本电路采用的是由 NE555 集成电路构成的多谐 振荡器组成。其电路运行包括两个过程：一是利用直流电源经电阻和对电容的1R2R1C 充电过程；二是电容经电阻从 LM555 集成电路的 DIS 端的放电过程。通过这两个1C2R 过程的交替运行，就可以在 LM555 集成电路的输出端 Q 产生出脉冲信号。其输出的高 电频时间： t=RCln3=1.1RC 这样输出端 Q 输出脉冲信号来控制红外线发光二极管发射光脉冲，二极管 D1 起 保护红外线发光二极管的作用。 3红外线接收电路及信号放大电路 该电路包含两个部分：一是红外线接收电路；二是信号放大电路。红外线接收电 路实际上就是一个硅光电池 2CR21。硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器 件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的 PN 结，在光照条件下 PN 结两端能产 生电动势，接上负载后就形成电流。硅光电池的原理是通过硅 PN 结的光伏效应，使其 具有按照光信号的强度产生出对应电信号的特性，这称为光敏器件。硅光电池的输出 特性分为恒流区和恒压区，即其短路电流与光强度成正比，其开路电压随光强度按指 数规律变化，由于其电流和光强度是线性关系，一般采用产生短路电流的方式来接收 22 光信号。但由于软件中没有我们需要的硅光电池，所以这部分我们用开关代替接收到 和没有接收到两种情况。 红外线接收电路及信号放大电路如图所示： 硅光电池 2CR21 的输出信号是一个十分微弱的信号，为了使后续电路能够对光强信 号进行处理，因此需要加入信号放大电路。 4时间延迟电路 由 LM555 集成电路构成的单稳态电路特性可知，输出端 Q 输出低电平。当由于人 体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压 V1，则 TRIG 端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端 Q 输出为高电平并保持一段时间。 延迟时间由可变电阻 R1 和电容 C1 的数值决定，通过调节可变电阻的大小，可以改变 延迟时间的长短，以适合不同场合的应用。 5自动水龙头开关电路 由于电磁阀通过的是大电流、大功率，而直流电源一般无法提供很大的电流和功 率，因此电磁阀需要交流供电，从而电路中的开关需要采用继电器电路。而一般 NE555 集成电路的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。 时间延迟电路，自动水龙头开关电路如图所示： 23 控制水龙头的作用点为输入端由高电平变为低电平，输出端由低电平变为高电平的 瞬间，然后 555 定时器作用，5 秒后电容放电完成，开关重新断开，水龙头停止流水。 作用点如图所示： 电源电路: 电源电路的设计可以采用两种方法来实现：第一种方法是采用电池供电，需要注 意的问题是选择合适电池的指标参数与电路相匹配；第二种方法就是采用如图 9 所示 的电源电路。 电路直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中 24 220V 交流电转换为+12V 直流电压。电路中的变压器采用常规的铁心变压器，整流电路 采用二极管桥式整流电路，C1、C2、C3 和 C4 完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集 成电路来实现。 设计模拟结果展示 当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压 V1， 则 LM555 的 TRIG 端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端输出为高电平并保 持一段时间，使自动水龙头开关电路有电流流过，当有电流驱动时，开关吸合，电磁 阀通电，自来水流出；当没有人体或者物体的阻隔时，LM555 的 TRIG 端输入为 1，单 稳态电路的输出端输出低电平，自动水龙头开关电路中没有电流流过，无